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1 INTRODUCCIÓN
La flotación es un proceso selectivo que se emplea para llevar a
cabo separaciones específicas de minerales complejos, basándose en las
diferentes propiedades superficiales de cada uno de ellos.
Es el método de procesamiento de minerales más eficaz y con mayores
aplicaciones de todos los existentes, aunque en muchos aspectos, es el
más complejo de ellos.
De las tres alternativas iniciales: flotación con aceite, por película
o con espuma, ésta última es la que se ha impuesto y ha alcanzado un
notable desarrollo.
Esta técnica se fundamenta en la adhesión selectiva de los
minerales en el seno de una pulpa acuosa a unas burbujas de aire que
se introducen en ella. Los minerales adheridos a las burbujas se separan
en forma de espuma mineralizada constituyendo el concentrado,
mientras que los demás se quedan en la pulpa y constituyen el estéril.
Los antecedentes históricos del proceso se remontan a los inicios de la
historia.
En este método de separación los reactivos son el componente y la
variable más importante, ya que el número de especies de flotabilidad
natural es tan reducido: talco, azufre, grafito, molibdenita y pocos más,
y su importancia comercial tan reducida que se puede afirmar que la
flotación industrial moderna no se podría efectuar si reactivos.
La flotabilidad natural depende de la polaridad
Un elemento tan importante del proceso influye con gran
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sensibilidad, ya que no solo tiene repercusión el tipo de reactivo, sino
también su combinación, dosis, forma y orden de adición.
Se ha comprobado que los efectos favorables o desfavorables
debidos a otras variables: grado de molienda, aireación, densidad de
pulpa, etc. Nunca superan en importancia a los efectos positivos o
negativos de una fórmula de flotación apropiada, por tanto, no debe
extrañarnos que al estudio de la fórmula de flotación apropiada se haya
dedicado el mayor tiempo y esfuerzo investigador.
El problema es complejo ya que la acción de los reactivos está basada
en equilibrios iónicos, y este equilibrio es difícil de controlar, ya que
aparte de los reactivos que introducimos en la pulpa, hay una
considerable cantidad de ion es en ella, procedentes de las impurezas
que aporta el mineral así como el agua de tratamiento.
2 TIPOS DE REACTIVOS
La clasificación moderna divide a los reactivos en función del
papel que desarrollan en el proceso:
COLECTORES: Proporcionan características hidrofóbicas a los
minerales.
MODIFICADORES: Regulan las condiciones de funcionamiento de
los colectores.
ESPUMANTES: Permiten la formación de una espuma estable.
3 REACTIVOS COLECTORES
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Es un grupo grande de reactivos orgánicos de composiciones
diversas.
Su misión es la hidrofobización selectiva de las superficies
minerales, creando condiciones favorables a su adherencia a las
burbujas de aire, disminuyendo la humectación, aumentando el
ángulo de contacto con las burbujas.
Por su capacidad de disociación en la pulpa, los colectores se
dividen en dos grupos:
IONIZABLES -IONOGENOS: Se disocian en iones
NO IONIZABLES -NO IONOGENOS: Actúan de forma molecular
Además, dependiendo de si la parte activa es anión o catión, los
colectores ionógenos se subdividen en:
ANIONICOS
CATIONICOS
Los anionicos en función de su estructura química se dividen
en:
TIPO OXIDRILO : Ácidos grasos, Jabones, Alquilsulfatos
TIPO SULFHIDRILO : Xantatos, Ditiofosfatos, otros
Los catiónicos están representados por las aminas y los derivados
amínicos.
Los no ionógenos son hidrocarburos y aceites hidrocarbonados.
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a ANIONICOS
a 3.1 TIPO SULFHIDRILO
XANTATOS
Los xantatos son sales sódicas o potásicas del ácido xántico o
xantogénico.
Este grupo de reactivos tiene una gran difusión debido a su bajo
coste, sus fuertes propiedades colectoras y su alta selectividad.
Son apropiados para la colección de sulfuros, minerales nativos y
minerales oxidados previamente sulfurados.
Se deben emplear en circuitos neutros o alcalinos ya que en
medio ácido sufren hidrólisis.
Se ha comprobado que las propiedades hidrofobizantes de los
xantatos aumentan con la longitud de la cadena hidrocarbonada y con
la ramificación.
En la práctica se emplean en dosis que van desde los 5 a los 100
g/t.
DITIOFOSFATOS
Son ésteres secundarios del ácido ditiofosfórico y se
obtienen al hacer reaccionar pentasulfuro de fósforo con alcoholes.
Estos compuestos fueron desarrollados inicialmente por American
Cyanamid que les dio el nombre comercial de Aerofloats , que es como
habitualmente se les conoce.
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Los ditiofosfatos son colectores de menor poder que los xantatos
por lo que se deben emplear dosis mayores que en el caso de los
xantatos.
Son más solubles en agua que los xantatos por lo que los
depresores les afectan en mayor grado que a aquellos, lo que explica su
difusión en la flotación global.
Son menos susceptibles a la hidrólisis que los xantatos, lo
que permite su actuación en medio ligeramente ácido.
TIOLES
Son útiles para la flotación de sulfuros de cobre y de cinc, así
como para especies oxidadas.
Su utilización está restringida por su desagradable olor.
DITIOCARBAMATOS
Compiten con los xantatos en cuanto a sus propiedades
colectaras pero su precio más elevado les hace perder competitividad
con aquellos.
DIFENIL TIOUREA o TIOCARBANILIDA
Su propiedad más destacable es la de ser un excelente colector
para la galena y no hidrofobizar la superficie de la pirita.
a 3.2 TIPO OXIDRILO
CARBOXILICOS
En este grupo se encuentran los ácidos grasas y sus sales, los
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jabones.
Históricamente han jugado un papel importante en flotación
debido a sus fuertes propiedades colectaras, pero su poca selectividad
impide una eficaz separación, lo que ha ocasionado un gradual y casi
absoluto reemplazo por los colectores sulfhidricos, quedando su
utilización reducida para el caso de minerales oxidados y no metálicos.
SULFATOS y SULFONATOS
Este grupo de reactivos se obtiene por sulfonación o sulfatación de
alcoholes.
Se emplean para la flotación selectiva de oxidas y sales.
Conviene destacar que estos reactivos tienen propiedades
espumantes, lo que supone una ventaja por una parte y un
inconveniente por otra.
b CATIONICOS
Este grupo de reactivos está constituido por aminas y derivados
amínicos.
Estos colectores se caracterizan por su fácil adsorción y desorción,
como consecuencia de una actuación debida a un mecanismo de
atracción electrostático.
En general son menos selectivos que los aniónicos, aunque en
ciertas flotaciones específicas como la flotación de cuarzo, silicatos y
algunos minerales oxidados son mucho más efectivos que los aniónicos.
Presentan además la ventaja de no ser muy sensibles a la
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presencia de iones extraños en la pulpa, por lo que son válidos en
tratamientos con agua excesivamente dura. Por otra parte tampoco son
muy sensibles a las variaciones de pH.
c NO IONIZABLES
En la flotación de minerales hidrofóbicos como el carbón, grafito,
azufre o molibdenita tienen importancia los colectores no ionizables
como el keroseno, hidrocarburos o aceites hidrocarbonados que no
posean grupos polares.
Estos reactivos son fuertemente hidrofóbicos y debido a la
ausencia de grupos polares no tienen medios propios para adsorberse
sobre las superficie s minerales por lo que deben ser adicionados en
combinación con otros compuestos orgánicos de caracter heteropolar.
Utilizan por tanto un mecanismo que podiamos definir como de
coadsorción.
Debido a su insolubilidad en agua, la distribución de estos
colectores ofrece dificultades, por lo que precisan medios mecánicos
para su mejor distribución.
Por último, conviene resaltar que debido a su efecto negativo
sobre la espuma hay que tener especial cuidado con la presencia
incontrolad de los mismos ya que pueden ocasionar trastornos graves
en la espumación.
MECANISMO DE LA COLECCION
Un estudio sobre los colectores no quedaría completo sin referirse
a su modo de fijación sobre las superficies de los minerales.
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Sobre este punto han surgido una serie de dudas centradas en las
siguientes cuestiones:
¿ Cual es la orientación del colector en la superficie del mineral ?
¿ Cual es el mecanismo de la fijación?
¿ Cual es la densidad de la película colectora ?
El punto menos discutido y más evidente es el de la orientación.
Parece obvio que el colector se orientará con toda seguridad de modo
que su parte apolar o su grupo hidrófobo se oriente hacia el agua.
Con respecto al mecanismo de la fijación, no existe una opinión
uniforme al respecto y se admiten dos teorías como probables: una
química, que atribuye la fijación del colector a una reacción de
intercambio iónico, y otra física, de adsorción, que explica la fijación en
base a un mecanismo molecular.
Como defensores de la primera teoría podemos citar a Taggart y
sus colaboradores, que afirman que los colectores, al disolverse en
agua, reaccionan químicamente con las superficies de los minerales
formando compuestos insolubles que se depositan sobre ellas
hidrofobizándolas y haciéndolas suceptibles a la flotación. Taggart
afirma que, los colectores reaccionan en la pulpa del mismo modo como
lo haría cualquier reactivo químico disociado en agua y puesto en
contacto con otro reactivo soluble.
Como confirmación experimental de esta teoría podemos citar el
hecho de que al tratar sulfuros metálicos con xantatos alcalinos, y tras
analizar concentrado y estéril se comprueba que en el primero se
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encuentra mas del 95 % de la forma aniónica del colector, mientras que
en el estéril aparece el 95 % del catión alcalino.
Igualmente se ha comprobado que la fijación del xantato va
acompañada con la producción estequiométrica de iones sulfito o
sulfato.
Ello puede indicar que el reemplazo del anión en la red cristalina,
no se efectúa por la acción directa del xantato sino que primeramente
ocurre una oxidación parcial de la superficie transformándose el sulfuro
en sulfito o sulfato y serían éstos los aniones reemplazados por el
xantato.
Como confirmación de lo anteriormente expuesto podemos decir,
por ejemplo, que la galena pura, inoxidada no flota, lo que se explica ya
que el sulfuro de plomo no es soluble en agua y por lo tanto no puede
reaccionar con el xantato.
Los partidarios de la teoría física admiten la posibilidad de que
parte del mineral disuelto pueda reaccionar en el agua con el colector y
que el producto de la reacción se fije posteriormente a la superficie del
mineral de forma distinta a un intercambio iónico, por ejemplo por
adsorción.
Esta hipótesis tiene mayor significado en el caso de los colectores
catiónicos, donde se ha visto la posibilidad de reacciones reversibles,
más propias de procesos de adsorción física.
En general, se considera que los minerales con cristales de
estructura atómica favorecen la colección por adsorción física, mientras
que los minerales con estructura iónica favorecen la fijación por
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intercambio iónico.
Con respecto al tercer punto, consistente en conocer la cantidad
de colector necesaria para conseguir una flotación satisfactoria,
históricamente ha sido uno de los más importantes del proceso.
Recordemos, por ejemplo, que en el proceso bulk-oil la cantidad
de aceite utilizado era de una tonelada por tonelada de mineral,
mientras que en la actualidad con los reactivos sintéticos hemos llegado
a utilizar dosis inferiores a los 20 g/t.
Esta impresionante trayectoria sugiere alguna pregunta como:
¿ Es posible disminuir más la dosis de colector ?
y en general
¿ Cual es el criterio científico en la dosificación de colectores?
El mayor obstáculo para responder a estas preguntas ha sido el
limitado conocimiento del mecanismo de la flotación, ya que este
desconocimiento origina otras dudas:
¿ Es necesario que las moléculas de colector recubran totalmente
la superficie del mineral ?
¿ Es útil que se formen dos o tres películas simultáneamente ?
Se ha comprobado experimentalmente que la práctica totalidad
del colector aparece en el concentrado, lo que evidencia que los
minerales de la ganga no participan en el consumo del mismo, por 10
que la cantidad necesaria es función exclusivamente de la concentración
de especies útiles.
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Por otra parte, el recubrimiento que requiere cada mineral para
flotar es una peculiaridad en cada caso, ya que varía en función de
consideraciones de tipo estructural, estado de la superficie, oxidación,
etc.
En definitiva, como regla general se puede afirmar que se produce
un aumento del ángulo de contacto y por consiguiente de recuperación,
con el aumento de la concentración de colector hasta que se produce el
recubrimiento completo con una película monomolecular en torno al
mineral, a partir de ese punto, un aumento en la dosificación ocasiona,
normalmente, efectos negativos, explicándose al considerar que la
segunda capa de colector se dirige con su parte apolar hacia la anterior
y con su parte polar hacia el agua, con lo que el mineral se vuelve más
mojable.
4 MODIFICADORES
La función específica de los reactivos modificadoreses preparar las
superficies minerales para la adsorción o desorción de un determinado
reactivo sobre ellas y crear en la pulpa las condiciones propicias para
realizar una buena flotación.
Tradicionalmente los modificadores se clasifican en:
a Modificadores del medio o de pH, que controlan la
concentración iónica de las pulpas y sus reacciones a traves de la
acidez o basicidad.
b Activantes, que fomentan las propiedades hidrofóbicas de los
minerales y aumentan su flotabilidad.
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c Depresores, que hidrofilizan las superficies minerales e
impiden su flotación.
a Modificadores del medio o de pH
El pH de una pulpa tiene gran importancia en la flotación, ya que
los iones H+ y OH- compiten con otros iones en alcanzar las superficies
de los minerales, y además, su concentración influye en la disociación
de las sales y en los intercambios iónicos.
Es importante además tener en cuenta los efectos de hidrólisis que
pueden sufrir algunos reactivos en función de la acidez del medio, por
ejemplo los xantatos pierden afectividad en circuitos ácidos.
Las aminas dan los mejores resultados en circuitos
medianamente alcalinos y en circuitos de alta alcalinidad su poder
colector disminuye notablemente.
En el caso de los ácidos grasos, su actividad se favorece en pulpas
alcalinas ya que de este modo se favorece la formación de jabones en la
superficie mineral.
De forma general debemos reconocer que el circuito alcalino es
más empleado que el ácido, entre otros motivos porque los reactivos
suelen ser más estables y las sales de los iones pesados precipitan
eliminándose de la pulpa.
Para producir el pH necesario en los circuitos industriales se
recurre a ácidos y bases de bajo coste, por lo que habitualmente se
utilizan:
Cal, Hidróxido de sodio, carbonato de sodio y Acido sulfúrico
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b Activantes
Los reactivos de este tipo sirven para aumentar la adsorción de los
colectores o para fortalecer el enlace entre el colector y la superficie
mineral. Hay distintas maneras de actuar sobre una superficie: 1
Renovando o limpiando la superficie del mineral afectada por un proceso
secundario como es la oxidación o la adhesión de lamas. 2 Formando en
la superficie una capa particularmente favorable para la adsorción del
colector. 3 Reemplazando en la red cristalina algunos iones metálicos
por otros que forman uniones más firmes con los colectores.
Ejemplos:
1 Limpieza de las superficies de sulfuros de Fe, Cu y Zn con Ac.
Sulfúrico.
2 Sulfidización de las superficies de los óxidos.
3 Activación de la superficie de la esfalerita por ion Cu.
c Depresores
La función específica de los depresores es la de disminuir la
flotabilidad de un mineral haciendo su superficie más hidrófilica o
impidiendo la adsorción de colectores que puedan hidrofilizarla.
Hay varias formas de conseguirlo:
1 Introduciendo en la pulpa un ion que compita con el colector por
alcanzar la superficie del mineral.
2 Neutralización química y eliminación del colector
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3 Añadiendo sustancias que generan grupos hidrofilicos que una
vez que alcanzan la superficie mineral orientan la parte polar hacia
el agua.
Ejemplos:
1 Depresión de los sulfuros de metales pesados con CN-o SH-
Depresión de galena con Dicromato.
2 Actuación de cationes alcalinos y alcalinoterreos que forman
precipitados con los ácidos grasas y los xantatos.
3 Sustancias orgánicas de tipo almidón, quebracho, tanino se
hidrolizan y se generan múltiples grupos hidrofílicos dirigidos
hacia el exterior de las partículas. Sería como un efecto
colector a la inversa.
5 Reactivos espumantes
La producción de una espuma estable requiere la introducción de
agentes orgánicos conocidos como espumantes, que suelen ser
sustancias tensoactivas heteropolares que pueden adsorberse en la
interfase agua-aire.
En los líquidos puros y en el agua, en particular, al hacer pasar
aire a través de ellos no se produce espumación.
Al agregar pequeñas cantidades de algunos compuestos orgánicos,
como por ejemplo alcoholes, la inyección de aire irá acompañada por la
formación de burbujas de aire en forma de esferas, que al ascender a la
superficie del líquido, antes de entregar su contenido de aire a la
atmósfera, tratarán de detenerse en forma de espuma.
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El tamaño de las burbujas y su estabilidad dependerán del tipo de
espumante empleado, ya que con un aumento de espumante disminuirá
el diámetro de las burbujas para producir con la misma cantidad de aire
la mayor superficie de contacto y la estabilidad de la espuma aumentará
debido al mayor grosor de la película.
Esto sucede hasta un punto, a partir del cual, los efectos se
estabilizan, y si se sigue aumentando la dosis de espumante comienzan
a aparecer efectos negativos.
Los espumantes que se usan en flotación son reactivos orgánicos
de carácter heteropolar, por lo tanto de estructura similar a los
colectores, pero mientras estos últimos tienen afinidad por la interfase
líquido-sólido, los espumantes la tienen por la liquido-gas.
Los agentes más apropiados para realizar la espumación son:
Alcoholes alquílicos y arílicos
Acidos carboxílicos
Aldehidos, Cetonas
Aminas y Nitrilos
Clásicamente los más utilizados han sido el aceite de pino, el ácido
cresílico y el aceite de eucalipto.
Actualmente se comercializan gran cantidad de productos de base
glicol conocidos con el nombre de Aerofroth y Dowfroth.
Conviene destacar que los Dwfroth no tienen propiedades
colectoras, por lo que las funciones colectora y espumante se pueden
regular de manera independiente.